Performance of zinc-based coatings in a tropical marine atmosphere of high agressiveness 

Orlando Salas, Nathalie Romero, Oladis Troconis de Rincón, Miguel Sánchez, Álvaro Rincón y Douglas Linares 

Centro de Estudios de Corrosión, Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia.
Maracaibo, Venezuela. TeleFax: +58-261-7598175. orlandosalasa@yahoo.com.mx , 

Abstract 

The objective of this research is to study the effect of different applications on the behavior of zinc based coatings (discontinuous galvanized, thermal sprayed by electrical arc and flame processes) exposed to a tropical marine atmosphere during 24 months. For this, coupons of carbon steel (SAE 1010) of 10 cm × 5cm × 3mm were evaluated, covered with zinc by the three processes. The sheets were characterized by means of coat thickness, microstructure, and porosity, being evaluated monthly by visual inspection and photographic record. After 24 months of exposure, they were withdrawn and analyzed in the laboratory by measuring the thickness of the coating remaining, morphology of the corrosion products and microscopic analysis of the cross-sectional area. The results show that the zinc corrosion rates for all systems, exceed the maximum established in ISO 9223 (> C5), besides being very sensitive to corrosion-erosion resulting inappropriate in this type of atmospheres. 

Key words: 

Galvanized, thermal sprayed zinc, atmospheric corrosion, tropical marine atmospheres. 

Desempeño de recubrimientos base cinc en un ambiente tropical de elevada agresividad 

Resumen 

El objetivo de esta investigación es estudiar el efecto de diferentes aplicaciones de recubrimiento base cinc (galvanizado discontinuo, termorrociado por arco eléctrico y llama) en un ambiente marino-costero tropical, durante 24 meses de exposición. Para ésto, se evaluaron láminas de acero al carbono (SAE 1010) de 10 cm × 5cm × 3mm, recubiertas con cinc por los tres procesos. Las probetas se caracterizaron mediante espesor de recubrimiento, microestructura y porosidad, evaluándose mensualmente por inspección visual y registro fotográfico. Luego de 24 meses de exposición, éstas fueron retiradas y analizadas en el laboratorio mediante medición de espesor remanente del recubrimiento, morfología de los productos de corrosión y análisis microscópico del área transversal. Los resultados muestran que las velocidades de corrosión del cinc para todos los sistemas, sobrepasan el valor máximo establecido en las normas ISO 9223(mayor de C5), además de ser muy sensible a la corrosión-erosión resultando inapropiados en este medio de exposición. 

Palabras clave: 

Galvanizado, termorrociado de Cinc por llama y arco eléctrico, corrosión atmosférica, atmósferas marinas tropicales. 

1. Introducción 

Una de las técnicas más ampliamente utilizada en el control de la corrosión es la aplicación de recubrimientos metálicos base cinc. A nivel mundial, muchas organizaciones realizan estudios para determinar la eficiencia de nuevos recubrimientos, que controlen los problemas de corrosión en ambientes agresivos. Últimamente, los recubrimientos por termorrociado han recibido mucha atención por su prometedora resistencia a la corrosión a largo plazo [1]. Investigaciones en América y Europa reportan un excelente desempeño: 

La American Welding Society [2], publicó un estudio de la durabilidad de estos recubrimientos, donde el termorrociado con cinc y aluminio, con y sin sellador, aplicados por el proceso de llama, sobre paneles de acero expuestos en ambientes de agua de mar, industrial y marino, dieron protección contra la corrosión durante 19 años. Por otra parte, Morrow H. [3], reporta antecedentes de estudios económicos en términos de costo/vida útil de los recubrimientos termorrociados de Zn en comparación a 2 sistemas de pintura recomendados por la Federal Highway Administration, y concluye que los recubrimientos por termorrociados son una de las técnicas más efectivas; disponible hoy en día para la protección contra la corrosión por largo tiempo de grandes estructuras de aceros tales como puentes. 

En la red PATINA [4] se evaluó el desempeño de una amplia variedad de recubrimientos en atmósferas de la región Iberoamericana; entre ellos galvanizado discontinuo, termorrociados de aluminio y Zn/15Al. Este último con sellador obtuvo el mejor desempeño en la atmósfera de La Voz. Debido a que Venezuela, presenta una amplia zona costera en la cual se encuentran ubicadas muchas empresas del aparato productivo del país, las mismas requieren una correcta selección de recubrimientos que les permita disminuir los costos de operación y mantenimiento; ya que debido a la agresividad del medio, los costos tanto directos como indirectos son cuantiosos, y muchas de las estructuras ya erigidas y protegidas mediante galvanizado presentan fallas en cortos periodos de tiempo. Por esta razón, el objetivo de este trabajo es evaluar el desempeño de un mismo material (cinc), aplicando éste, por tres procesos diferentes de aplicación (galvanizado discontinuo, arco eléctrico y llama), y definir el comportamiento de dicho material en un ambiente tropical de elevada agresividad. 

2. Parte experimental 

2.1. Preparación de las probetas 

2.1.1. Sustrato y dimensiones 

Se utilizaron láminas de acero SAE 1010 de dimensiones 10 cm × 15 cm en la preparación de las probetas para la evaluación de los recubrimientos base cinc. El espesor de las láminas varió de acuerdo al proceso de aplicación (galvanizado discontinuo, termorrociado de arco eléctrico y llama). El espesor de las láminas utilizadas en el proceso de galvanizado y arco eléctrico fue de 3 mm, mientras que las del proceso de llama fueron de 2 mm, ya que fueron aplicados por diferentes fabricantes. 

2.1.2. Preparación de la superficie 

Las tres empresas aplicadoras utilizaron sus propias probetas de acero y sus criterios de preparación de superficie, esta última información no fue suministrada. En el caso de recubrimientos termorrociados, se realizaron medidas indirectas del perfil de anclaje dejado en el sustrato, mediante microscopía óptica a magnificación de 200 X; haciendo un barrido y midiendo la distancia entre los picos y valles dejados en el sustrato. 

2.1.3. Recubrimientos y métodos de aplicación 

Se evaluaron 3 sistemas de recubrimientos: galvanizado discontinuo, cinc puro aplicado por el proceso de llama y arco eléctrico. 

2.2. Caracterización  de los recubrimientos 

2.2.1. Espesor 

Esta medición fue realizada de acuerdo a la norma ASTM D 1186 [5], mediante un instrumento de inducción magnética (constant pressure probe DFT, gauge (type II)”). Debido a la variabilidad de espesor propia del termorrociado, se utilizó una plantilla de la misma dimensión (10cm × 15cm) con 10 orificios distribuidos en toda la probeta alejados 2cm de los bordes, de tal forma de efectuar las mediciones siempre en el mismo sitio [6]. 

2.2.2. Microestructura 

Se utilizó un microscopio óptico metalográfico marca Olympus CK 40M a magnificaciones entre 200 y 400X, para evaluar todas las probetas en estudio. Se prepararon muestras mediante cortes de 2,5 cm × 2,5 cm, seguido de encapsulado en baquelita mediante embutidora (Marca LECO modelo PR25), desbastado del área transversal con lijas de SiC y pulido con alúmina hasta acabado especular [6]. 

2.2.3. Porosidad 

La determinación del porcentaje de área de porosidad en los recubrimientos termorrociados, se realizó de acuerdo a la norma ASTM E 2109-01[7] mediante un programa de análisis de imagen (Corel Photo-Paint de Corel Draw Graphics Suite Versión 12.0 2003) [8, 9]. 

2.3. Estación de ensayo 

2.3.1. Cruce del Lago de Maracaibo
         (CLM) 

Se encuentra ubicada en el cruce del lago de Maracaibo, a 117m sobre del nivel del mar. Esta atmósfera marina se caracteriza por fuertes vientos y condiciones cambiantes de alta humedad y temperatura. Además, está rodeada por complejos industriales petroquímicos y carboníferos, que incorporan a la atmósfera dióxido de azufre proveniente de los procesos de combustión de combustibles fósiles. En particular en esta estación, la incidencia de los vientos preferenciales es sobre el borde derecho de las probetas. Durante la evaluación se efectuaron inspecciones mensuales y registro fotográfico. Después de 22 y 24 meses, las probetas galvanizadas y termorrociadas, respectivamente, fueron retiradas y analizadas en el laboratorio mediante medición de espesor remanente del recubrimiento, morfología de los productos de corrosión y análisis del área transversal. Aun cuando, en primera instancia, se había preestablecido el retiro de las probetas a los 24 meses de exposición, fue necesario retirar las galvanizadas a los 22 meses; debido a los requerimientos urgentes en la velocidad de corrosión del galvanizado, para tomar decisiones en estructuras ya existentes. 

2.4. Mediciones de agentes  metereoquímicos en los ambientes 

Los niveles de agentes aeroquímicos fueron medidos de acuerdo a la norma ISO 9225[10]. Para la medición de las variables meteorológicas (humedad relativa, temperatura, tiempo de humectación, velocidad de viento, precipitaciones) se tomaron de los valores medidos por una estación piloto de monitoreo de estos parámetros instalada en este lugar. 

3. Resultados y Discusión 

3.1. Caracterización del ambiente 

En la Tabla 1 se puede apreciar que de acuerdo a la norma ISO 9223 [11], según los parámetros ambientales, esta atmósfera se clasifica como categoría C4 (corrosividad alta); mientras resultados obtenidos por técnicas gravimétricas (velocidad de corrosión para el acero, de aproximadamente 125 µm/año), la categoría es de C5 (corrosividad muy alta). 

3.2. Caracterización  de los recubrimientos 

3.2.1. Mediciones del perfil de anclaje 

En el análisis del perfil de anclaje (Tabla 2) se observó que las probetas a las cuales se les aplicó el termorrociado por arco eléctrico, tienen un mayor perfil de anclaje, lo que pudiese indicar una mejor adherencia de este recubrimiento al sustrato. 

3.2.2. Microestructura 

Placas galvanizadas. Luego de realizada la metalografía para las probetas galvanizadas (Figura 1), se observa claramente la existencia de un proceso de difusión del acero al cinc y del cinc al acero, constituido por tres fases intermetálicas y una de cinc puro. El espesor total determinado en la muestra es aproximadamente 76,6 µm [12]. 

Placas termorrociadas. Las Figuras 2 y 3 presentan las microestructuras de los recubrimientos evaluados de cinc, aplicados por el proceso de llama y arco eléctrico. En estas figuras se puede observar la naturaleza porosa de estos recubrimientos. Las microestructuras revelan capas altamente rugosas, con estructura laminar debido a la superposición de partículas metálicas achatadas. En relación a la diferencia de procesos, para el caso del proceso por llama (Figura 2) se ven regiones con vacíos grandes y se observan capas de separación (“linear detachment”) cuando el metal fundido es enfriado, lo cual puede interconectar iónicamente al sustrato, mientras que en el caso del proceso de arco eléctrico, se notan regiones con vacíos más pequeños aún cuando éstos se encuentran en mayor cantidad. 

3.2.3. Porosidad 

Se comparó la porosidad de muestras termorrociadas sin exponer (blanco/Tabla 3). Cuantitativamente, no se observaron diferencias significativas entre las porosidades de los termorrociados por arco eléctrico y llama. Pese a tener una porosidad semejante en número, la forma de la microestructura se puede diferenciar por la naturaleza de los poros, presentando un tamaño de poro mayor para el proceso de llama, lo cual permitiría el acceso de los agentes químicos al sustrato, lo que puede comprometer su desempeño a futuro (Figuras 2 y 3).

3.3. Desempeño de los recubrimientos base cinc en la atmósfera  de estudio 

3.3.1. Inspección visual 

Placas galvanizadas. El 100% del área expuesta de las probetas a los vientos preferenciales (Figura 4) (áreas de mayor magnificación), presentó productos de corrosión del acero base; a diferencia del resto del área expuesta, pero resguardada de los vientos, donde solo se aprecian productos de corrosión de color blanco pertenecientes al cinc del galvanizado. 

Figura 4. Probeta de acero galvanizado
expuesta al medio por período de 22 meses

Los resultados de la evaluación de la velocidad de corrosión de las diferentes probetas, muestran que la mayor velocidad de corrosión fue de 53 µm/año, la cual se presenta en las zonas A y B (Figura 5). Esto se debe a que la incidencia de los vientos es más acentuada en estas zonas en comparación con las demás. En C y D (zona no expuesta directamente a los vientos preferenciales) los valores de velocidad promedio se encuentran aproximadamente en 35 µm/año, lo que resulta en una diferencia de 34% en comparación con A y B, ya que los vientos no inciden directamente. Es importante destacar que esta velocidad de corrosión es muy alta para el galvanizado ya que la Norma ISO9223 [11] considera para la categoría de corrosividad muy alta (C5) valores hasta 8,4 µm/año, mientras que los valores encontrados en este estudio corresponden a un valor casi cuatro veces mayor que éste. Estos resultados también demuestran que el haber retirado las probetas dos meses antes no es relevante al evaluar el comportamiento de este recubrimiento en este medio. 

Figura 5. Acero galvanizado expuesto al medio por periodo de 22 meses

En resumen se puede decir, que este tipo recubrimiento no es el más adecuado para climas con elevada presencia de cloruros y humedades relativas altas, y en especial con velocidades de viento elevadas que erosionan paulatinamente el recubrimiento metálico. 

Placas termorrociadas. Todas las probetas evaluadas con el recubrimiento de cinc aplicado por ambos procesos (arco eléctrico y llama), sufren de corrosión erosión en el borde derecho al igual que las placas galvanizadas, debido a la acción de los vientos preferenciales (Figuras 6 y 7), con un alcance entre los 2,5 y 4 cm, luego de 12 meses de exposición. Luego de 24 meses, prácticamente toda su superficie está cubierta por productos blancos de corrosión del cinc, típicos en estos ambientes marinos. 

En relación a las diferencias observadas con los procesos de aplicación (Figuras 6 y 7), el recubrimiento aplicado con la técnica de llama de alambre, siendo el mismo material (cinc) evidenció un menor desempeño en comparación al recubrimiento aplicado por arco, presentando puntos de corrosión del sustrato en tan solo 8 meses de exposición en el borde de incidencia de los vientos preferenciales, y prácticamente ya visibles en todo el borde derecho con un avance de 0,5 cm luego de 24 meses. 

Por el contrario en el caso del termorrociado por arco eléctrico, durante la inspección visual no se observaron productos de corrosión del sustrato en ninguna probeta durante los primeros 24 meses, solo corrosión del recubrimiento. Se pudiese deducir que este desempeño, es debido a la diferencia de espesores entre ambos procedimientos (arco 234 µm y llama 132 µm). Pero al efectuar las mediciones de espesores remanentes para los recubrimientos y posteriormente determinar la velocidad de corrosión erosión, se determinó (Tabla 4), que el recubrimiento aplicado por llama muestra una mayor velocidad de corrosión, que el aplicado por arco, independiente de la zona de exposición. 

Cabe destacar que para realizar la medición de los espesores remanentes, la probeta fue dividida en tres zonas (Figura 8). Estas zonas tienen un área aproximada de 4 cm², comenzando desde el borde de incidencia [13]. 

En la zona 3, que corresponde al borde de incidencia de los vientos preferenciales, se observan los valores más bajos de espesor remanentes, lo que evidencia que el ataque erosivo en esta zona indudablemente incrementa la velocidad de corrosión para ambos procedimientos. 

Para el termorrociado aplicado por arco eléctrico, la pérdida de espesor en esta zona fue de 28 µm, lo que corresponde a una pérdida del 12% del espesor inicial y una velocidad de corrosión erosión de 14 µm/año, mientras que para las zonas 2 y 1 el espesor perdido fue de 10 y 12 µm, lo que corresponde a una velocidad de corrosión de 5 µm/año y 4 µm/año (4,5% y 3,4% del espesor original). Por el contrario, para el termorrociado aplicado por llama de alambre, los espesores remantes de cinc fueron muy bajos, de hecho en la zona 3 el espesor remanente fue cero, lo que corresponde a una pérdida de espesor del 100%. Esto equivale a una velocidad de corrosión de 66 µm/año en esta zona, mayor a la obtenida para galvanizado (53 µm/año). Para las zonas 2 y 1 los espesores remanentes fueron de 30 y 79 µm equivalentes a un 78,5% y 40% del espesor inicial, y velocidad de corrosión de 51 µm/año y 27 µm/año, respectivamente. Es importante destacar, que pese a que la velocidad de corrosión para el proceso de arco eléctrico fue menor a los otros dos procedimientos, este aun es muy alto (> C5/8,4 µm/año) superando en casi el doble el valor máximo establecido en la Norma ISO9223. 

Estos resultados de un mejor desempeño del recubrimiento de cinc aplicado por arco eléctrico coinciden a los reportados por Salas O [6], quién comparó el mismo espesor en la estación más agresiva de Venezuela (La Voz/velocidades de corrosión para el acero de 921 µm/año, >C5 atmósfera especial). En dicho trabajo se determinó que las probetas recubiertas con cinc por llama (142,5 µm), presentaban corrosión del sustrato en la parte inferior en tan solo 3 meses de exposición, mientras las probetas termorrociadas por el proceso de arco eléctrico (140 µm) no presentaban este problema, sino hasta los 19 meses de exposición [13]. Si bien es cierto que los resultados muestran que el proceso por arco tiene una mayor resistencia a la corrosión que el de llama, no se puede concluir en esta investigación que su desempeño como técnica de aplicación sea la mejor; debido a que las condiciones de preparación de superficie posiblemente no hayan sido las mismas ya que fueron preparadas por dos empresas diferentes. 

Conclusiones 

Las velocidades de corrosión del cinc, en esta atmósfera tropical-marina, para todos los sistemas sobrepasan el valor máximo establecido en las normas ISO 9223 (mayor de C5). 

Los recubrimientos de cinc resultaron inapropiados en este medio de exposición. En ninguna de las probetas analizadas se percibió que el desempeño del esquema de protección fuese aceptable; por el contrario, resulta muy sensible a la corrosión-erosión. 

Es recomendable que la utilización de estos recubrimientos, esté acompañada de un recubrimiento polimérico que permita protegerlos del ataque directo de agentes agresivos. 

Los resultados muestran que el Cinc aplicado por arco eléctrico tiene una mayor resistencia en este ambiente marino costero que el de llama y el galvanizado. 

Referencias Bibliográficas 

1.  Kogler, R., Brydi, D., y Highsmith, C (1999) Recent FHWA Experience with Metallized Coatings for Steel Bridges.Material Performance. 38 (7), 43-45. 

2.  American Welding Society. (1997) Corrosion Tests of Flame-Sprayed Coated Steel19 Year Report. Disponible en: http://www.intmetl.com/19_year_report.htm  . 

3.  Morrow III,.H., Zinc Institute, Inc.(1997) Economics of Thermal Spraying for the Long-Term Corrosion Protection of Steel Structures.[On-Line] Disponible en www.intmetl.com/economics.htm . 

4.  Morcillo, M., Almeida, E., Fragata, F., y Panossian Z. (2002).Corrosión y Protección de Metales en las Atmósferas de Iberoamérica. Parte II. Protección Anticorrosiva de Metales en las Atmósferas de Iberoamérica (Red Temática Patina, XV.D/CYTED). Madrid, España. 

5.  ASTM D 1186 “Standard Test Method for Nondestructive Measurement of Dry Film Thickness of Nonmagnetic Coatings Applied to a Ferrous Base (West Conshohocken,PA: ASTM International 2002). 

6.  Salas, O. (2005) Comportamiento de los Recubrimientos por Termorrociado de Aluminio y Cinc en Atmosferas Marinos y Costeros Marinos. Trabajo Especial de Grado Magíster Scientarium. Centro de Estudios de Corrosión. Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. 

7.  ASTM E 2109. “ Test Methods for Determining Area Porcentage Porosity in Thermal Sprayed Coatings” (West Conshohocken,PA: ASTM International 2001) 

8.  Uzcátegui, A., Valdivieso, A., (2006) “Efecto del ambiente tropical en el comportamiento de los recubrimientos termorrociados de Zn, Al, y Zn/Al.” Trabajo Especial de Grado para optar al titulo de Ingeniero Químico. Centro de Estudios de Corrosión. Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. 

9.  Salas, O. (2006). “Evaluación de Recubrimientos por Termorrociado de cinc, aluminio y cinc/aluminio en ambientes marinos tropicales. Trabajo de Ascenso para la categoría de Profesor Agregado. Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela”. 

10. ISO 9225 “Corrosion of metals, and alloys- Corrosivity of atmospheres. Measurement of pollution” (Geneva, Switzerland: ISO, 1992).
 

11.  ISO 9223 “Corrosion of metals, and alloys- Corrosivity of atmospheres. Classification”. (Geneva, Switzerland: ISO, 1992.). 

12.  Romero N., “Evaluación de Recubrimientos Expuestos a Ambientes Marinos y Costero-Marinos”. Master Tesis. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela, (2004). 

13.  Godoy J, Sulace N (2007) “Corrosión Erosiva de Recubrimientos Termorrociados con Zn, Al y Zn/Al en Ambientes Marinos Tropicales” Trabajo Especial de Grado para optar al titulo de Ingeniero Químico. Centro de Estudios de Corrosión. Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. 

Recibido el 30 de Junio de 2007 

En forma revisada el 31 de Julio de 2008